一 引言

无线传感器网络发展至今已有十几个年头。还记得在21世纪初听说加州大学伯克利分校的“智能微尘”项目时，脑海中浮现更多的是科幻类的场景。维基百科如是说：智能微尘（Smartdust）是一个新的工程概念，目的是让拥有智能的无线传感器缩小成如同约沙粒或尘埃的大小，检测温度、振动等。每个智能微尘可以是一个无线传感器网络中的节点，以收集信息，处理信息，与其他的节点连接。十几年后的今天，随着软硬件技术的不断创新，无线传感器网络飞速发展，各种网络协议日益成熟，现在已经成为各种智能化的蓝图中不可或缺的一部分。例如，美国正在大力发展的信息物理融合系统（Cyber Physical Systems，CPS），欧洲与之相对应的Internet of Things计划，而温家宝总理2009年在无锡讲话时提到要大力发展中国的物联网技术，也使国内掀起了一轮新的物联网热潮。无独有偶，IBM更是提出了“智慧地球”的概念，将所有智能化的概念和模块融入其中。所有这些大计划的背后，都有“小人物”——无线传感器网络的身影。它不显山不露水，绝大多数时候并不直接跟用户打交道，然而，正是有它的存在，才使得这些智能计划变得可能。下面简单介绍一下目前在美国着重发展的CPS计划的概念，以及无线传感器网络在其中所处的地位。

CPS本质上即利用cyber（技术层面）来感应、分析，和控制physical（物理层面）。美国国家科学基金会已经将CPS列入重点科研领域，从2007年到现在，每年举办一次关于CPS的大型研讨会，叫CPS Summit。把美国学术界和工业界相关行业的专家、教授聚在一起，讨论并研究CPS在今后一段时间的发展趋势。通常来说，CPS可以被看成下面四个领域的结合：其一，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks），通过数不清的微小传感器节点来高效地，低能耗地，有组织地，自适应地感应物理世界。其二，嵌入式系统（Embedded Systems），用以达到cyber和physical的无缝连接。其三，实时系统（Real-time Systems），由于CPS的应用大都是“smart”类型，所以基本都有实时性要求。其四，控制系统（Control Systems），当大量数据被采集并分析后，最终目的是可以通过制动器（actuator）以控制系统来达到预期目的。有兴趣的读者可以参考由卡内基梅隆大学Raj Rajkumar教授、宾州大学Insup Lee教授、伊利诺伊大学香槟分校Lui Sha教授与弗吉尼亚大学John Stankovic教授合写的综述文章：Cyber-Physical Systems：The Next Computing Revolution，后文将介绍一些CPS在学术界的重要项目。可以看出，无线传感器网络在CPS中起着举足轻重的作用，它将物理世界的“真相”（ground truth）收集起来，供CPS的其他模块分析并做出控制决定，以形成一个“闭环系统”（close-loop systems）。如果没有无线传感器网络，这一切都无从谈起。

无线传感器网络的研究热点从最早的“可行性”与“可用性”，到后来的“性能优化”与“易用性”，再到今天的“智能性”与“普适性”。这里有必要简单解释一下。在无线传感器网络发展的第一个阶段（2001～2004年），传感器节点硬件设备功能有限，研究领域最常用的实验平台是加州大学伯克利分校David Culler教授等人开发的Mica2节点和Mica2Dots节点，以及在其上运行的最早版本的TinyOS操作系统。在这个时期，无线传感器网络的发展“瓶颈”在于能量消耗过快导致系统生命时间太短，以及各个协议层不够成熟导致数据包丢失率太高。举两个例子，一个是Szewczyk等人在一个岛屿上布置了一个无线传感器网络用以研究在各种不同的路由算法下网络的可靠性。结果表明所形成的多跳网络中链路质量随时间很快衰退，有的时候丢包率超过70%。另一个是Tolle等人在一棵红杉树下布置了一个无线传感器网络用以检测树木的生长状况。然而，有15%的传感器节点在一周之内就消耗光了所有能量，导致整个系统无法达到预期目的。因此，这时的研究热点在于各种低能耗算法，以及各个协议层（主要指物理层、MAC层和路由层）的性能分析。

在无线传感器网络发展的第二个阶段（2005～2007年），随着硬件性能的不断提高，Mica2系列节点逐渐被功能更加强大的MicaZ、Telos等节点所取代，TinyOS也升级为2.0版本，并且出现了其他各有特点的操作系统，最重要的包括加州大学洛杉矶分校的SOS系统、瑞典计算机科学研究所的Contiki系统、伊利诺伊大学香槟分校的LiteOS系统，以及哈佛大学的Pixie系统等。